Los químicos dan una mano a la oportunidad
Desarrollo de un método para descubrir nuevas reacciones químicas
Tanto si se trata de materiales sintéticos como el PET y el teflón, como de medicamentos o aromas, la vida sin compuestos producidos sintéticamente apenas es concebible en nuestra vida cotidiana. La industria química depende de métodos eficientes y a largo plazo para producir moléculas derivadas sintéticamente. Para ello, los químicos utilizan a menudo catalizadores, es decir, aditivos con los que pueden facilitar y controlar las reacciones químicas. Pero, ¿cómo se descubren y desarrollan estas reacciones?
Cribado de una variedad de sustratos posibles en presencia de un fotocatalizador.
© Felix Strieth-Kalthoff
Se requiere un alto grado de conocimiento y comprensión, pero, con frecuencia, el azar también juega un papel decisivo. Un equipo de químicos de la Universidad de Münster (Alemania) ha desarrollado una estrategia para generar de forma sistemática estos "resultados aleatorios", con el objetivo de descubrir nuevas e inesperadas reacciones.
Antecedentes y método
El proceso de llevar a cabo sistemáticamente un gran número de experimentos se denomina "cribado" y es una práctica establecida, en particular, en la investigación farmacéutica relativa a los principios activos. El método de cribado desarrollado en Münster para el descubrimiento de reacciones combina dos pasos que cubren una variedad de elementos individuales en una reacción y que, en combinación, están diseñados para descubrir nuevas reacciones de relevancia sintética. En el primer paso, los químicos examinan si un sustrato potencial realmente interactúa en absoluto con el catalizador. Para ello, en el caso de los fotocatalizadores, se utiliza el fenómeno del apagado de emisiones. Si un sustrato reduce la emisión del catalizador, es probable que se produzca una interacción entre el catalizador y el sustrato. Mediante el cribado sistemático de un gran número de compuestos seleccionados al azar, se pueden identificar nuevas moléculas cuya interacción con los catalizadores era desconocida hasta ahora.
Sin embargo, la interacción entre el sustrato y el catalizador no crea por sí misma una reacción. Por esta razón, la segunda etapa del proceso de selección consiste en examinar si realmente se produce una reacción cuando están presentes un socio de reacción y el catalizador. Esto significa que por primera vez, como resultado de la combinación de dos pasos de cribado, se puede identificar a ambos socios en una nueva reacción que reaccionan para formar un nuevo producto. "Esta estrategia bidimensional nos permite no sólo encontrar nuevas interacciones catalizador-sustrato, sino también descubrir nuevas reacciones, incluidas algunas que no esperábamos antes", explica el profesor Frank Glorius, del Instituto de Química Orgánica de la Universidad de Münster.
Descubrir una reactividad inesperada
El estudio muestra que los autores fueron capaces de descubrir y desarrollar tres reacciones antes desconocidas. Una de estas reacciones es la llamada cicacarga fotoquímica, en la que moléculas simples y planas -benzotiofenos- se transfieren a estructuras tridimensionales complejas. "Tal como se formuló sobre el papel, no habría considerado posible esta reacción", dice Felix Strieth-Kalthoff, estudiante de doctorado y autor principal del estudio, "porque, desde un punto de vista energético, el paso clave en esta reacción no debería ser realmente posible".
Para investigar esto con más detalle, los químicos de Münster se pusieron en contacto con el Prof. Dirk Guldi de la Universidad de Erlangen, considerado el experto líder mundial en investigaciones sobre procesos fotoquímicos. En colaboración con colegas del Instituto Leibniz de Ingeniería de Superficies de Leipzig, el equipo pudo arrojar luz sobre el tema realizando mediciones en forma de espectroscopia ultrarrápida. Los químicos utilizaron pulsos láser ultracortos para observar e investigar sistemáticamente los pasos individuales de la reacción. "Ahora podemos ofrecer explicaciones mucho mejores de los procesos moleculares subyacentes en la transferencia de energía de triple tríptico, el paso clave de activación", dice Dirk Guldi. "Esta mayor comprensión permitirá el desarrollo de nuevos procesos y catalizadores", añade.
Este ejemplo muestra que los resultados de este enfoque de detección no sólo producen nuevas reacciones, sino que también pueden contribuir a una comprensión más profunda del tema. "Estamos convencidos de que esta estrategia puede utilizarse en otras áreas de la catálisis, y más allá", dice Frank Glorius.
Utilizando, entre otras cosas, las últimas tecnologías informáticas, el equipo de investigadores ya está trabajando en el desarrollo de nuevos métodos de cribado para descubrir y comprender nuevas clases de reacciones. Hay una cosa de la que Frank Glorius está seguro: "Creo que el descubrimiento de nuevos tipos de reacciones resultantes de las estrategias basadas en datos, como estos métodos de cribado, marcarán una diferencia decisiva en el desarrollo de la química sintética".
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